Proceso Mecánico de Endurecimiento

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
ANTONIO JOSÉ DE SUCRE
EXTENSIÓN SAN FELIPE
Participante: Ángel Olivera
Proceso de Endurecimiento de los Metales

2. Proceso de Endurecimiento de los Metales
En metalurgia, el endurecimiento se refiere a técnicas para incrementar la dureza
de un material. Existen cinco mecanismos principales para hacer esto:
• Endurecimiento por afino de grano.
• Endurecimiento por deformación en frío.
• Endurecimiento por solución sólida.
• Endurecimiento por precipitación.
• Transformaciones martensíticas.
Todos los mecanismos de endurecimiento, excepto las transformaciones
martensíticas, introducen dislocaciones o defectos en la estructura cristalina, las
cuales actúan como barreras para los deslizamientos.

3. Mejora de las Propiedades Mecánicas
La capacidad de un metal para deformarse plásticamente depende de la
capacidad de las dislocaciones para moverse y facilitar el deslizamiento de
planos.
Puesto que las propiedades mecánicas de un material (dureza y resistencia)
están relacionadas con la facilidad con la cual se deforma plásticamente, se
puede aumentar la resistencia mecánica reduciendo la movilidad de las
dislocaciones. Es decir, será necesario aplicar mayores fuerzas mecánicas para
iniciar la deformación plástica.

4. Mecanismos de endurecimiento.
Mejora de las Propiedades Mecánicas
Se conocen diversos mecanismos que permiten el endurecimiento de los
materiales policristalinos:
Endurecimiento por disolución sólida: este método se basa en introducir en los
materiales átomos en forma de impurezas que se disuelven en solución sólida
sustitución al o intersticial. Estos átomos dificultan el movimiento de las
dislocaciones evitando que avancen, por tanto, endureciendo el material.

5. Endurecimiento por deformación: se trata de un
fenómeno por el cual un metal dúctil se hace más
duro y resistente a medida que es deformado
plásticamente. Se denomina también acritud o
endurecimiento por trabajo en frío, ya que la
temperatura a la que tiene lugar la deformación es
mucho menor que el punto de fusión del metal.
Este efecto se explica mediante la interacción
repulsiva entre las dislocaciones. Al introducir
nuevas dislocaciones por deformación plástica, la
resistencia al movimiento de éstas se ve
aumentada por la presencia de otras
dislocaciones, resultando en un aumento de la
acritud del metal.
Mecanismos de endurecimiento.
Mejora de las Propiedades Mecánicas

6. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano: este método se basa en el
hecho de que los granos contiguos poseen un límite de grano común y que las
orientaciones cristalográficas de los mismos son distintas. Al llegar al límite de grano, la
dislocación se detiene y para continuar la deformación se debe generar otra
dislocación, lo que implica la aplicación de más energía y por tanto una mayor
resistencia del material.
Mecanismos de endurecimiento.
Mejora de las Propiedades Mecánicas

7. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano:
El límite de grano actúa como una barrera al movimiento de las dislocaciones por dos razones:
1, Dado que los granos tienen orientaciones distintas, una dislocación que pasara a otro grano
tendría que cambiar la dirección de su movimiento. Este efecto es más difícil cuanto mayor sea la
diferencia de orientación de los granos.
2. El desorden atómico dentro del límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de
deslizamiento de un grano a otro.
Mecanismos de endurecimiento.
Mejora de las Propiedades Mecánicas

8. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano:
El hecho de que se frenen las dislocaciones provoca que para
llevar a cabo una deformación sea necesario aplicar una fuerza
mayor. Por tanto un material con grano fino será más duro y
más resistente que un material con un grano más grueso.
Este comportamiento se define mediante la ecuación de Hall-
Petch:
Donde el límite elástico inicial σo se ve incrementado en función
de una constante ky del material y el diámetro medio del grano
d, obteniendo así el nuevo límite elástico σy.
Todas las técnicas de refuerzo o
endurecimiento se basan en el
siguiente principio; la restricción
y el impedimento del
movimiento de las dislocaciones
endurecen y
aumentan la resistencia del
material.
Mecanismos de endurecimiento.
Mejora de las Propiedades Mecánicas

9. Proceso de Endurecimiento de Mecanizado en los Metales
ENDURECIMIENTO POR LÍMITE DE GRANO
Endurecimiento por tamaño de grano. Las imperfecciones de la superficie tales
como los límites de grano, perturban el arreglo de los átomos en los materiales
cristalinos. Al aumentar la cantidad de granos o reducir el tamaño del grano, se
produce un endurecimiento por tamaño de
grano en los materiales metálicos.
Las fronteras de los granos son barreras que dificultan el movimiento de las
dislocaciones del metal. Una dislocación encuentra difícil pasar de un grano a
otro a través de las fronteras debido al desorden relativo en que se encuentran
los átomos en esta zona.
Los metales que tienen granos pequeños presentan mayor resistencia que los
metales con granos grandes, o en otras palabras, los metales con granos
grandes son más suaves y menos resistentes que los metales con granos
pequeños.

10. Proceso de Endurecimiento de Mecanizado en los Metales
ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN
El endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frío o por acritud)
es el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel macroscópico
que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida
que el material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formación
de nuevas dislocaciones y a su movimiento. Esta resistencia a la formación y movimiento
de las dislocaciones se manifiesta a nivel macroscópico como una resistencia a la
deformación plástica.
En cristales metálicos, el movimiento de las dislocaciones es lo que produce la
deformación plástica (irreversible) a medida que se propagan por la estructura del cristal.
A temperaturas normales cuando se deforma un material también se crean dislocaciones,
en mayor número de las que se aniquilan, y provocan tensiones en el material, que
impiden a otras dislocaciones el libre movimiento de estas. Esto lleva a un incremento en
la resistencia del material y a la consecuente disminución en la ductilidad.

11. Proceso de Endurecimiento de Mecanizado en los Metales
ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA
Cualquiera de los defectos puntales también interrumpe la perfección de la
estructura cristalina.
Cuando la estructura cristalina del material anfitrión asimila por completo los
átomos y los iones de un elemento o compuesto huésped, se forma una solución
sólida. Esto ocurre de forma parecida a la forma en que la sal o el azúcar se
disuelven en agua, en bajas concentraciones.
Si en forma intencional se introducen átomos sustitucionales o intersticiales se
produce un endurecimiento por solución sólida. Este mecanismo explica por qué
el acero al carbón es más resistente que el Fe puro o por que las aleaciones de
cobre con pequeñas concentraciones de Be son mucho más resistentes que el
Cu puro. El oro y la plata puros que son metales FCC con mucho sistema de
deslizamiento activo, son demasiados suaves mecánicamente.

12. Proceso de Endurecimiento de Mecanizado en los Metales
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un tratamiento térmico para
endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se basa en la deposición de fases meta estables en
forma finamente dividida, de modo que forma una barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia
a la fluencia de las aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.
El endurecimiento por precipitación, se basa en los cambios de la solubilidad de sólido con la temperatura para producir
partículas finas de una impureza de fase, que impiden el movimiento de dislocaciones o defectos a través de la estructura
del cristal. Dado que las dislocaciones son a menudo los operadores dominantes de la plasticidad, esto sirve para endurecer
el material. Las impurezas desempeñan la misma función que los refuerzos en los materiales compuestos reforzados. Así
como la formación de hielo en el aire puede producir nubes, nieve o granizo, dependiendo de la historia térmica de una
porción dada de la atmósfera, la precipitación de los sólidos puede producir diferentes tamaños de partículas, que tienen
propiedades radicalmente diferentes. A diferencia del temple ordinario, las aleaciones deben mantenerse a temperatura
elevada durante horas para permitir que la precipitación tenga lugar. Este retardo de tiempo se denomina envejecimiento.
Dos tratamientos térmicos diferentes que implican precipitados pueden alterar la fuerza de un material: tratamiento térmico
por solución sólida y el tratamiento térmico de precipitación. Endurecimiento por solución sólida implica la formación de una
solución sólida de una sola fase a través de temple. El tratamiento térmico por precipitaciones implica la adición de partículas
de impurezas para aumentar la resistencia de un material

13. Proceso de Endurecimiento de Mecanizado en los Metales
TRANSFORMACIONES MARTENSÍTICAS
Martensita, es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se
genera a partir de una transformación de fases sin difusión (infiltración de partículas ajenas al
material procesado), a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material.
Por extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una
transformación sin difusión de materiales metálicos.
La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se
caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión.
Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los
granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro
de la matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la
austenita es independiente del tiempo.